Graphene Failure under MPa: Nanowear of Step Edges Initiated by Interfacial Mechanochemical Reactions

石墨烯 机械化学 材料科学 摩擦学 惰性 钻石 复合材料 纳米技术 化学 有机化学
作者
Chuan Tang,Yilong Jiang,Chao Chen,Chen Xiao,Junhui Sun,Linmao Qian,Lei Chen
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (13): 3866-3873
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04335
摘要

The low wear resistance of macroscale graphene coatings does not match the ultrahigh mechanical strength and chemical inertness of the graphene layer itself; however, the wear mechanism responsible for this issue at low mechanical stress is still unclear. Here, we demonstrate that the susceptibility of the graphene monolayer to wear at its atomic step edges is governed by the mechanochemistry of frictional interfaces. The mechanochemical reactions activated by chemically active SiO2 microspheres result in atomic attrition rather than mechanical damage such as surface fracture and folding by chemically inert diamond tools. Correspondingly, the threshold contact stress for graphene edge wear decreases more than 30 times to the MPa level, and mechanochemical wear can be described well with the mechanically assisted Arrhenius-type kinetic model, i.e., exponential dependence of the removal rate on the contact stress. These findings provide a strategy for improving the antiwear of graphene-based materials by reducing the mechanochemical interactions at tribological interfaces.
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